无刷交流励磁机换相角过大问题的研究与优化

黄贤法,赵 博,鲍晓华,翁德红

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,合肥 230009; 2.安徽艾格赛特电机科技有限公司, 合肥 230031)

0 引 言

励磁调节对电力系统的稳定性起着非常重要的作用,一方面可以提高电力系统的静态稳定性,另一方面当电力系统遭受大扰动时,可以调节电力系的暂态稳定性和动态稳定性,因此越来越多学者开始关注励磁系统的性能优化。电力系统中常见的三级式无刷交流发电系统[1]主要是由同步发电机、主励磁机、副励磁机、旋转整流器和励磁调节器五部分组成,其中的主励磁机为一个旋转电枢式的同步发电机,通过旋转整流器与主发电机的励磁绕组连接,当主发电机处于不稳定状态或受到大扰动时,励磁调节器通过调节主励磁机的励磁电流,进而控制主发电机的励磁电流来维持电力系统的稳定性。由于交流励磁机的特殊结构及其特殊工作方式,交流励磁机的设计就不能按照常规同步发电机的程序来进行,而是要采用一套专门的设计程序[2-3]和设计规范[4]设计。

交流励磁机为一个旋转电枢式的同步发电机,其电枢是由很多匝线圈绕制而成,线圈绕制会导致电枢电感的存在,而这个电感会引起旋转整流器在自然换相点处无法瞬间从一相换到另一相,从而产生一个换相延迟现象。这一现象的存在会导致交流励磁机输出电压和输出电流发生严重的畸变现象,同时励磁机的损耗也会增多,因此交流励磁机的换相角是一个不可忽视的问题。

文献[5]通过对比在考虑和不考虑换相重叠角时谐波电流的大小,验证了六脉冲整流电路中谐波电流与换相角存在着很大的关系,得出通过减小换相角可以减小整流电路的谐波含有量,提高电能质量。

文献[6-10]利用电路等效以及电路仿真的方法,分析了整流电路中换相过程,推导了发电机整流电路的换相重叠角以及换相压降。

文献[11-12]研究了发电机整流电路中存在着大量谐波,通过在发电机的电枢绕组中添加阻尼绕组可以减小同步发电机交直流侧谐波的含量。

无刷交流励磁机的定子为磁极,转子为电枢,如图1所示,这种结构省略了电刷与集电环的维护,减少了碳刷的磨损以及电火花的产生[13],提高了励磁发电的可靠性和安全性。然而,这种励磁方式必须经过旋转整流器来为主发电机提供励磁电流,由于交流励磁机的电枢相当于一个电感元器件,当电枢绕组电流突变时,电枢的电感特性会阻碍这种变化,从而产生一个换相角,换相角的存在会使输出电压电流波形发生严重畸变现象,影响输出电能质量。

图1 无刷交流励磁机的结构图

本文为了减小交流励磁机的换相角,提高电能质量,在励磁机的定子磁极上加装阻尼绕组,不仅增大了直轴超瞬态电抗[14],实现了减小换相角的目的,还有效改善了励磁机的合成磁通波形,使磁通中的大部分谐波被阻尼回路中的阻尼导条吸收。这样,励磁机电枢由于换相角的存在而产生的谐波含量减少,暂态电动势波形更接近正弦形。

1 不可控整流器电路中的换相过程分析

1.1 励磁系统的等值电路

励磁系统中的旋转整流器为一个三相桥式整流电路,其等值电路如图2所示。在这个等值电路中ea、eb、ec为交流励磁机的等值电动势,Lr为励磁机电枢端到整流桥输入端的等值换相电感。由于励磁机的电枢电感远远大于电枢电阻,所以电阻基本可以忽略不记。

图2 旋转整流器的等值电路

实际的励磁系统中往往存在着多方面的干扰因素,本文为了能够更好地分析励磁系统的等值电路模型,作以下假设:

1) 励磁机的空载气隙磁场是一个标准正弦波;

2) 不考虑励磁机的电枢反应;

3) 忽略定转子铁心叠片的磁阻。

本文以交流励磁机的等值线电动势为基准,其对应的表达式:

(1)

1.2 换相状态分析

励磁系统正常工作时,一般工作于第一种换相状态,本文也是针对第一种换相状态进行电路分析,每一周期中的工作过程可划分为两个区间:非换相区和换相区,由于两个工作区的工作过程有着很大差别,所以必须分开进行讨论。

(1)非换相区

当整流器工作在非换相期间时,阳极组和阴极组中通常各有一个二极管导通并流过整流电流,例如V5和V6两个二极管处于导通状态,其等值电路如图3所示。此时,整流电路可以稳定地输出整流电流Id,不会在换相电抗上产生换相压降。整流电压Ud输出的电压波形也与旋转整流器交流侧线电压一致。

图3 V5和V6导通

(2)换相区

由于等值换相电抗Lr的存在,换相过程在自然换相点处无法从一相瞬间换到另一相,出现延迟换相的现象,致使存在3个二极管同时导通的现象。例如,此时整流元件V1和V5之间开始换相,只有当流过V5元件电流下降为零,流过V1元件电流上升为整流电流时,换相过程才能结束,V1和V5换相过程的等值电路如图4所示。

图4 V5和V1换相

根据换相时的等值电路,可列出下面这些方程:

由KVL可得:

(2)

换路过程中,ea>ec,为简化换相过程,假设ir的方向是顺时针方向流动,此时:

i1=ir,i5=Id-ir

(3)

式中:Id为整流回路输出的直流电流。

将式(3)代入式(2),可得:

(4)

Id为直流电流,对式(4)整理可得:

(5)

对式(5)两边同时进行积分,可得:

(6)

式中:Xr每相换相电抗;ω为励磁机的基波角频率;E为交流电源线电动势有效值;A积分常数。

二极管V5和V1在换相的瞬间,电流不会发生突变,所以i1=ir=0,可得:

(7)

将式(7)代入式(6)可得:

(8)

1.3 换相角

随着ωt的增加,流过二极管V1的电流不断增加,而流过二极管V5的电流不断减小,最后经过换相角γ所对应的时间后,电流i1增大到Id,由式(8)可得:

(9)

由式(9)可得换相角:

(10)

由式(10)可知,当交流励磁机的线电动势保持不变时,换相角的大小与励磁系统的换相电抗和输出的整流电流有关,通过减小换相电抗或者输出直流电流,可使换相角有所减小。输出整流电流为同步发电机所需电流,一般无法改变,本文通过减小换相电抗来减小换相角。

2 励磁机阻尼绕组的设计

常见的交流励磁机是旋转电枢式同步发电机,磁极安装在定子上,磁极结构如图5所示。为了减小交流励磁机的换相角,通过在原有磁极的基础上添加阻尼绕组,如图6所示。阻尼绕组[15]在结构上可等价于在励磁绕组外叠加一个短路的鼠笼环,对交流励磁机的动态稳定性起调节作用。当整流器发生换相时,换相电抗的存在会使电枢电流发生突变,相应的磁通也会随之发生变化。而转子磁链往往是固定的,励磁绕组上将感生出一个与励磁电流相反的电流来阻止磁通的变化,电枢磁通只能从磁阻较小的磁极漏磁路通过,当磁极上装有阻尼绕组时,阻尼绕组的存在也将会产生一个磁通来阻碍转子变化磁通的通过,此时的电枢磁通只能从阻尼绕组和励磁绕组的外侧流过,从而减小了直轴超瞬态电抗X″d。交流励磁机工作在第一种工作状态下,励磁机的换相电抗近似等于直轴超瞬态电抗:

(11)

图5 励磁机的磁极形状

图6 带阻尼绕组的交流励磁机磁极

由式(11)可得,阻尼绕组的引入,会导致励磁机的换相电抗的减小,从而减小励磁机的换相角。

本文的交流励磁机基本参数如表1所示,其中包括额定功率、直流电压、直流电流、转速、极数、主要尺寸等。

表1 交流励磁机的额定参数及尺寸

2.1 阻尼绕组节距的选择

式中:q为每极每相槽数;t2为阻尼绕组节距;t1为转子外圆齿距;ns为阻尼绕阻槽数;τ为极距。

根据表1中的数据,确定励磁机模型:q=2;t1=24.08 mm;τ=144.51 mm,在满足阻尼条节距选择条件下,本文选择阻尼槽数为9,阻尼条节距为9.79 mm。

2.2 阻尼条直径的选择

本文的阻尼条是安装在定子磁极上的,阻尼条直径可通过下式计算:

(12)

式中:Ad为每根阻尼条的截面。Ad可通过下式计算:

(13)

式中:K为经验系数,取K=0.2;Ns为每槽导体数;Ac为每匝导体截面积。

根据式(12)和式(13),结合表1给定的数据,本文的阻尼条直径ds=2.78 mm。

3 场路耦合仿真与分析

3.1 交流励磁机的有限元模型

简单的电路分析无法真实反映励磁机的真实工作状态,在电路分析时没有考虑谐波和电枢反应对主磁场的影响,因此电路分析不能准确反映励磁机的工作过程。本文利用ANSYS仿真软件搭建Maxwell和MaxCir场路耦合仿真模型[17-18]对含有阻尼绕组的交流励磁机进行仿真分析。根据表1所给的样机尺寸来绘制励磁机的二维几何模型,如图7所示。将旋转整流器等效为一个理想的三相桥式整流电路,与电磁场模型进行耦合仿真,在MaxCir进行外电路搭建,如图8所示。其中LA、LB、LC为有限元模型中的转子电枢绕组。L为电枢绕组端部电感;R为电枢绕组端部电阻;Rf,Lf为主发电机励磁绕组所等效的电阻和电感参数。通过电磁场与外电路的耦合将2D电磁场有限元计算所不能考虑的端部电抗等参数考虑进去,并搭建了整流桥,反映了实际的工况。

图7 励磁机的有限元模型

图8 MaxCir等效电路

由前文对于阻尼绕组的设计,在绘出的励磁机模型的磁极上设置9根阻尼条,将阻尼条的材料定义为铜,连接方式为全阻尼,绘制出含有阻尼绕组的励磁机二模型,如图9所示。

图9 含有阻尼绕组的励磁机有限元模型

3.2 阻尼绕组对交流励磁机的影响

励磁系统的旋转整流器在负载工作时存在着频繁的换相问题,换相电感的存在使相电流无法在自然换相点处瞬间完成换相,交流侧输出电压电流波形如图10所示。关断相的电流逐渐降为零,而开通相的电流逐渐上升至负载电流,在这个过程中就会产生一个换相角γ,同时在这个换相过程也会产生一个换相压降ΔU。换相重叠角的存在会导致电压波形的凹陷,在换相截止时,换相重叠角的存在又会导致电压波形的凸起,因此这个换相角的存在会导致励磁机的输出电压波形发生严重的失真现象,降低整流输出电压质量。

图10 整流器交流侧电压电流波形

对有无阻尼绕组的交流励磁机进行仿真,可以得到以下仿真波形,图11为旋转整流器交流侧电流对比图,图12为旋转整流器直流侧电压对比图,图13为旋转整流器直流侧电流对比图。

图11 旋转整流器交流侧电流对比

图12 旋转整流器直流侧电压对比

图13 旋转整流器直流侧电流对比

从图11的换相过程可以看出,当电流处于A、C换相状态时,A相绕组电流逐渐减小,C相绕组电流逐渐增大。当A相电流减小为零,C相电流增大为负载电流时换相过程结束。不含阻尼绕组时需要经过0.83 ms完成换相,含有阻尼绕组时只需要经过0.63 ms即可完成换相,利用γ=ωt公式,可以计算出换相角,此时无阻尼时换相角为59.76°,而有阻尼时换相角为45.36°,在添加阻尼绕组后换相角被减小。

图12为整流器直流侧电压波形图。当加入阻尼绕组后,输出直流电压的波动从原来的59%下降到37.35%,这是由于励磁机磁通中的高次谐波大部分为阻尼回路所吸收,转子回路的合成磁链有较大的改善,近似按正弦规律变化,从而改善了励磁机的输出电压。

图13为整流器直流侧电流波形图。阻尼绕组的存在会使输出的直流电流波动从原来的13.9 A下降到9.3 A,减小了直流电流的波动,提高了同步发电机的稳定性。

4 实验平台

为了验证交流励磁机负载工作时有限元模型搭建的合理性,搭建了如图14所示的励磁机整流发电实验组平台。其工作原理如下,首先由拖动电机拖动励磁机到额定转速运转,然后利用励磁柜来调节励磁机的励磁电流,将励磁机输出的交流电经旋转整流器整流后供给恒电阻负载,通过不断增加励磁机的励磁电流来获得空载特性和恒电阻负载特性,观察励磁机的设计是否合理。

图14 交流励磁机实验平台

使用拖动电机驱动励磁机以额定转速运行,然后对样机经旋转整流器输出的电压电流值进行测量,测试时,将恒电阻值调整为与模拟设定值相同的值。

励磁机的作用是为主发电机提供一个直流励磁,其负载类型看作一个整流负载,本文主要关注点在于经旋转整流器整流后所输出的直流电压和直流电流。

通过实验平台对励磁机进行空载实验,然后将所得的数据与仿真数据进行对比,如图15所示。由空载特性曲线可以知道,交流励磁机工作在线性放大区,符合励磁机的设计原则,同时实验所获得空载特性曲线与有限元仿真是曲线基本重合,说明搭建的有限元模型是合理的。

图15 空载特性曲线

通过实验平台对励磁机进行负载实验,然后将所得的数据与有限元仿真数据对比,如图16所示。可以发现,仿真所得到的负载特性曲线与实验所测得的特性曲线存在着少量偏差,这可能是由于端部电阻设置得过小以及忽略了熔断器的电阻所导致。

图16 恒电阻负载特性曲线

5 结 语

本文首先利用电路分析来验证换相角的存在,通过换相过程的分析来推导出换相角的计算公式,由公式知道换相电抗对换相角的影响较大,然后通过在磁极上添加阻尼绕组来减小交流励磁机的换相电抗,进而减小换相角。同时,本文为了验证分析的正确性,利用ANSYS仿真软件搭建了交流励磁机的仿真模型,通过对比有无阻尼绕组时的仿真结果,可以得出以下结论:

1)利用等值电路分析的方法,分析了不控整流电路的换相过程,同时推导出换相的计算公式,得出减小换相电抗可以减小换相角的结论。

2)换相角的存在对旋转整流器输出的直流电压直流电流都有影响,通过减小换相角可以改善输出电能质量。

3)加入阻尼绕组后,减小了交流励磁机的换相电抗,进而减小了交流励磁机的换相角。旋转整流器交流测电压波形畸变率以及直流侧电压的纹波也会减小,但存在着能量的损失。